基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵關(guān)鍵外購件質(zhì)量跟蹤研究

張琴

摘 要：論文針對引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵關(guān)鍵外購件質(zhì)量跟蹤進(jìn)行了研究。首先對適用于地鐵車輪的標(biāo)簽進(jìn)行了大量研究，包括選型及封裝方式、固定方式和粘貼位置等方面，最終研制了一款大小合適、性能很強(qiáng)、抗金屬環(huán)境、抗粉塵和防水、防震動(dòng)的標(biāo)簽。其次對RFID中間件進(jìn)行了研究，并研發(fā)出一款通用的RFID中間件軟件。最后，通過質(zhì)量跟蹤管理平臺(tái)和終端采集系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了地鐵關(guān)鍵外購件車輪的全程質(zhì)量跟蹤管理。

關(guān)鍵詞：質(zhì)量跟蹤；地鐵；關(guān)鍵外購件；射頻識(shí)別

前言

地鐵上經(jīng)常維護(hù)的設(shè)備及部件多達(dá)上萬件，與列車運(yùn)行安全相關(guān)的關(guān)鍵部件有近千件，做好這些部件采購、供發(fā)貨過程中質(zhì)量保證和跟蹤管理是列車關(guān)鍵件質(zhì)量管理中的重要一環(huán)。目前關(guān)鍵外購件質(zhì)量保證和跟蹤管理存在外購件管理中質(zhì)量信息不全；質(zhì)量復(fù)核信息錄入不及時(shí)，且容易出錯(cuò)；質(zhì)量信息不能及時(shí)跟蹤等問題。

本文以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行關(guān)鍵外購件質(zhì)量跟蹤管理技術(shù)研究，并以車輛關(guān)鍵件車輪從生產(chǎn)商采購到再加工、及現(xiàn)場交付的全過程的質(zhì)量跟蹤管理為示范。其間涉及出廠質(zhì)量數(shù)據(jù)的建立、再加工質(zhì)量管理、倉儲(chǔ)管理和現(xiàn)場交付的質(zhì)量跟蹤管理等。

1 系統(tǒng)的組成

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵關(guān)鍵外購件質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)包含地鐵公司關(guān)鍵件全程質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)、生產(chǎn)商和二次加工商的信息采集與處理系統(tǒng)。其中地鐵公司全程質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)有各類操作終端和服務(wù)器系統(tǒng)所組成。操作終端包括管理終端、配置終端和監(jiān)控終端；服務(wù)器系統(tǒng)包括應(yīng)用服務(wù)器、中間件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和通信服務(wù)器。生產(chǎn)商和二次加工商關(guān)鍵件信息采集與處理系統(tǒng)主要包括操作終端、服務(wù)器系統(tǒng)和終端信息采集處理系統(tǒng)。其中終端采集處理系統(tǒng)由無線網(wǎng)絡(luò)、RFID手持機(jī)和RFID電子標(biāo)簽構(gòu)成。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖如圖1-1所示。

圖1 -1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)通過廠內(nèi)局域以太網(wǎng)和無線公網(wǎng)連為一體，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程和局域傳遞。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

本模板的寫作注意點(diǎn)都是在以往發(fā)表的稿件中總結(jié)出來的高頻需修改處。

2.1適用于地鐵車輪的RFID標(biāo)簽集成技術(shù)研究

在國內(nèi)將RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)應(yīng)用于地鐵車輪的質(zhì)量跟蹤管理，尚屬首次。鑒于金屬對射頻信號(hào)存在多徑效應(yīng)、車輪現(xiàn)場環(huán)境（生銹、油污、雨水等）惡劣復(fù)雜、車輪形狀不平整規(guī)則、同時(shí)車輪在多種情況下都需要進(jìn)行二次加工，這些都使采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行車輪追蹤變的困難。為使RFID標(biāo)簽在車輪管理上有好的效果，標(biāo)簽研究主要從標(biāo)簽的選型及封裝方式、固定方式、粘貼位置和標(biāo)簽物流過程跟蹤測試四個(gè)方面開展研究。

2.1.1標(biāo)簽選型及封裝方式研究

車輪屬于金屬材質(zhì)，其對射頻信號(hào)傳遞有很大影響；而且車輪物流、加工過程中現(xiàn)場環(huán)境惡劣，有金屬粉塵，易生銹，且在運(yùn)輸過程中有雨淋、振動(dòng)大。

標(biāo)簽封裝包括三個(gè)主要工藝：天線基板制作、Inlay制作（一次封裝）和基板上涂覆絕緣膜、沖裁（二次封裝）。本次項(xiàng)目中主要是對二次封裝環(huán)節(jié)著手研究適合本項(xiàng)目的最終標(biāo)簽。封裝時(shí)在標(biāo)簽和金屬表面中間插入高導(dǎo)磁率的隔離粉末材料，在相當(dāng)大程度上避免了渦流的出現(xiàn)，從而可避免金屬對標(biāo)簽性能影響。同時(shí)，選用了紙質(zhì)、PVC、塑料合成及PET四種封裝材料進(jìn)行測試研究。

經(jīng)過在金屬材質(zhì)表面和車輪上的跟蹤測試研究表明，紙質(zhì)封裝標(biāo)簽只能在車輪貼標(biāo)簽一側(cè)被識(shí)讀，其他面均無法識(shí)讀。其余三種封裝方式的標(biāo)簽均能在360度范圍內(nèi)被識(shí)讀，但是PVC封裝標(biāo)簽和PCB封裝標(biāo)簽的識(shí)讀距離分別為0.6米和0.8米，且不同角度存在不穩(wěn)定性。兩款PET封裝的標(biāo)簽均有很好的識(shí)讀距離，且全方向性能穩(wěn)定。與地鐵車輪不規(guī)則形狀完全貼合。

為進(jìn)一步從這兩標(biāo)簽中選取性能最佳的標(biāo)簽，對兩款標(biāo)簽進(jìn)行了場強(qiáng)性能測試。其中：1#標(biāo)簽采用 Intelleflex 公司的 XC1 芯片；2#標(biāo)簽為Alien Higgs?-3 IC含800bits NVROM標(biāo)簽的相應(yīng)輻射特征圖如下：

圖2-1 1號(hào)標(biāo)簽

圖2-2 2號(hào)標(biāo)簽

1號(hào)標(biāo)簽在X、Y兩個(gè)方向的最大值都是5.3；2號(hào)標(biāo)簽橫向X最大值是3.8，縱向Y最大值是3.3。由此測試結(jié)果看，1號(hào)標(biāo)簽性能更佳，故項(xiàng)目應(yīng)用選用了1號(hào)標(biāo)簽。

2.1.2 標(biāo)簽固定方式研究

因?yàn)檐囕啽砻娌黄秸?，且有油污、易生銹、還會(huì)涂漆，標(biāo)簽自帶的膠很難將其牢固地固定在車輪上，本次選用了3M膠、502膠、AA201膠水、AB膠快干型四種不同的膠進(jìn)行粘貼性能測試。膠水詳細(xì)信息如下：

圖2-3 膠水粘度時(shí)間曲線圖

針對上述四種膠的特性，從固化時(shí)間方面考慮，首先淘汰AB膠快干型，重點(diǎn)在3M、502和AA201膠水間進(jìn)行試驗(yàn)選擇，3種膠水都具有良好的快粘特性，但3M膠的粘性強(qiáng)度基本保持不變，而502和AA201膠水在粘接后強(qiáng)度會(huì)隨著時(shí)間增加，大約在30分鐘后穩(wěn)定，502膠會(huì)在一小時(shí)左右固化。由于車輪存在型面、且運(yùn)輸過程中有振動(dòng)，這些對502膠的粘接特性有一定損壞，造成標(biāo)簽脫落。

對上述4種膠水的現(xiàn)場試驗(yàn)，也證實(shí)了這一結(jié)果。選取4種膠，將標(biāo)簽粘貼于車輪上，并放置在室外進(jìn)行跟蹤測試。本次研究經(jīng)歷了一年的時(shí)間，從粘貼日開始每周跟蹤測試一次。AB膠水粘接快速性差、且操作麻煩；3M膠標(biāo)簽，經(jīng)過一個(gè)半月后已經(jīng)開裂；502膠水標(biāo)簽，在車輪運(yùn)輸中存在部分脫落。

為使標(biāo)簽粘接強(qiáng)度在快速性和持久性方面都有好的性能，進(jìn)行膠水的混合使用測試，發(fā)現(xiàn)采用3M膠和AA201膠的疊加使用效果最好。

2.2 RFID中間件技術(shù)研究

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵外購件的質(zhì)量跟蹤，系統(tǒng)物品多，物流過程復(fù)雜，涉及的現(xiàn)場RFID識(shí)別設(shè)備多。通常系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后臺(tái)信息處理量大，并且有很多無用計(jì)算，造成后臺(tái)資源浪費(fèi)。為此引入RFID中間件技術(shù)，進(jìn)行RFID設(shè)備的前置管理和信息處理。使得上層應(yīng)用和設(shè)備管理分隔開來，互不影響，大大降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)可靠性。上層應(yīng)用的修改不會(huì)影響底層設(shè)備的修改，底層設(shè)備的增加減少或修改也不會(huì)影響上層應(yīng)用軟件。

RFID中間件功能有：標(biāo)簽信息關(guān)聯(lián)、分類和校驗(yàn)，信息的存儲(chǔ)和續(xù)傳，設(shè)備的通用接口和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口。下面就從這四個(gè)方面對RFID中間件進(jìn)行研究。

2.2.1標(biāo)簽信息關(guān)聯(lián)、分類和校驗(yàn)研究

地鐵關(guān)鍵件標(biāo)簽信息如何編碼和快速識(shí)別其物品種類及個(gè)體是關(guān)鍵。這里標(biāo)簽編碼格式遵循EPC編碼規(guī)范。EPC編碼的通用結(jié)構(gòu)是一個(gè)比特串（以二進(jìn)制表示），系統(tǒng)編碼采用一個(gè)分層次、可變長度的頭字段，以及一系列數(shù)字字段組成。碼的總長、結(jié)構(gòu)和功能完全由頭字段的值決定。

車輪標(biāo)簽編碼是對車輪個(gè)體及其質(zhì)量屬性信息進(jìn)行編碼，該編碼用于車輪物流過程中各企業(yè)對車輪信息管理和信息交換。車輪編碼遵循惟一性和統(tǒng)一性的原則，在企業(yè)內(nèi)部可以通過標(biāo)簽信息對車輪的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和銷售等進(jìn)行有效的管理。

系統(tǒng)中車輪需要編解碼的項(xiàng)目共有19項(xiàng)，編碼時(shí)從十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換時(shí)，數(shù)據(jù)要為8的倍數(shù)，不夠會(huì)補(bǔ)0，由于標(biāo)簽的存儲(chǔ)空間有限，所以對19項(xiàng)數(shù)據(jù)的編碼進(jìn)行必要的壓縮，最后長度共為128位，寫入標(biāo)簽時(shí)再轉(zhuǎn)成十六進(jìn)制同時(shí)進(jìn)行加密，長度共為32位，解碼時(shí)先進(jìn)行解密，再從十六進(jìn)制轉(zhuǎn)成二進(jìn)制，讀取標(biāo)簽時(shí)再轉(zhuǎn)成十進(jìn)制。

2.2.2與設(shè)備的通用聯(lián)接技術(shù)研究

目前市場上RFID設(shè)備種類多，不僅有不同的廠家，而且同一廠家的設(shè)備也有不同的型號(hào)，各家設(shè)備所使用的通訊連接協(xié)議各不相同。本項(xiàng)中各關(guān)鍵外購件供應(yīng)商所選取的RFID設(shè)備各不相同，應(yīng)用系統(tǒng)必須對每個(gè)設(shè)備進(jìn)行定制開發(fā)；而且每增加一種設(shè)備或更換一種設(shè)備時(shí)，應(yīng)用系統(tǒng)就要做相應(yīng)的修改。這將會(huì)給開發(fā)人員帶來很大的麻煩，因此需研究開發(fā)一種對各種不同設(shè)備進(jìn)行有效接入，且對軟件應(yīng)用層透明的通用連接方法。

本項(xiàng)目對設(shè)備通用連接技術(shù)研究了一種可擴(kuò)展的開放框架。其上層應(yīng)用通過統(tǒng)一的接口來接入所有的設(shè)備，前置設(shè)備接口采取了一種設(shè)備外掛的方式實(shí)現(xiàn)對不同廠家的RFID設(shè)備的支持。每種不同的RFID讀寫器，都封裝成獨(dú)立的RFID設(shè)備外掛。中間件啟動(dòng)時(shí)，根據(jù)配置，載入需要的設(shè)備外掛，實(shí)現(xiàn)與讀寫器的連接。

2.2.3與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口研究

為了讓應(yīng)用層更便捷使用讀取的有效數(shù)據(jù)，需要對系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口技術(shù)進(jìn)行研究。項(xiàng)目中對應(yīng)用系統(tǒng)接口進(jìn)行了兩種接口技術(shù)研究。一種是基于數(shù)據(jù)庫的通信研究；一種是基于TCP/IP通信的研究。基于數(shù)據(jù)庫的通信方式主要是通過ODBC方式輸出數(shù)據(jù)，所有標(biāo)簽數(shù)據(jù)都以ASCII文本的形式存儲(chǔ)在指定的數(shù)據(jù)庫信息交換庫表中。這種方法對應(yīng)用層來說很透明，可直接使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)交換的無縫對接?；赥CP/IP技術(shù)的數(shù)據(jù)通訊，主要是采用提供API函數(shù)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊連接。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的車輪全程質(zhì)量跟蹤研究

項(xiàng)目以國內(nèi)某大型地鐵公司關(guān)鍵外購件之一車輪為代表，進(jìn)行了基于RFID電子標(biāo)簽的采購物流過程的質(zhì)量管理跟蹤應(yīng)用。車輪物流過程質(zhì)量信息在各個(gè)過程寫入電子標(biāo)簽，通過各作業(yè)點(diǎn)的手持設(shè)備進(jìn)行信息采集和校核，實(shí)現(xiàn)對車輪從出廠、再加工、及現(xiàn)場交付的全程質(zhì)量跟蹤。系統(tǒng)有全程質(zhì)量跟蹤管理平臺(tái)和終端信息采集系統(tǒng)組成。

3.1全程質(zhì)量管理平臺(tái)

關(guān)鍵外購件全程質(zhì)量跟蹤管理平臺(tái)主要是方便跟蹤查看所采購關(guān)鍵外購件的質(zhì)量信息，通過該平臺(tái)可以查看所訂車輪從生產(chǎn)商到二次加工商再到最終目的地的整個(gè)物流過程的質(zhì)量信息。平臺(tái)包含采購合同信息跟蹤管理、采購車輪執(zhí)行爐罐號(hào)信息跟蹤管理及單件車輪質(zhì)量信息的跟蹤管理。

3.2終端信息采集系統(tǒng)

手持終端信息采集系統(tǒng)完成收、驗(yàn)貨時(shí)質(zhì)量檢查信息現(xiàn)場采集、處理及查詢、顯示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊通過4G網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換通過公有云存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)施。

4 結(jié)論

本項(xiàng)目進(jìn)行了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵關(guān)鍵外購件質(zhì)量跟蹤系統(tǒng)研究。研制了適用于地鐵車輪的RFID電子標(biāo)簽，標(biāo)簽粘貼劑，RFID中間件軟件等。最后進(jìn)行了地鐵車輪質(zhì)量跟蹤試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)結(jié)果表明：采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)場質(zhì)量檢驗(yàn)效率提高5%以上，現(xiàn)場工人勞動(dòng)強(qiáng)度降低30%以上，達(dá)到了預(yù)期的效果。同時(shí)該項(xiàng)研究技術(shù)也可延伸至關(guān)鍵外購件全生命周期的跟蹤管理。系統(tǒng)擴(kuò)展后可給地鐵公司、關(guān)鍵件供應(yīng)商及二次加工商提供大量的有意義的質(zhì)量分析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]劉科亮.超高頻射頻識(shí)別標(biāo)簽性能測試的研究[J].《電子質(zhì)量》，2017（4）：21-23.

[2]閆富貴.金屬環(huán)境下UHF RFID標(biāo)簽性能惡化分析與設(shè)計(jì)研究[J].《杭州電子科技大學(xué)》，2014.

[3]孫曉東.基于物聯(lián)網(wǎng)的離散制造車間制造數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]；南京航空航天大學(xué)；2012年

（作者單位：上海寶信軟件股份有限公司）